服务热线0535-6936196

磁致伸缩位移传感器波导丝扭转超声波衰减特性研究

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2021-01-04 13:42

  

       磁致伸缩位移传感器波导丝扭转超声波衰减特性研究基于磁效应的测量仪表和精密仪器在工业生产中具有良好的应用前景。磁致伸缩位移传感器因超精密性、非接触性、可靠性高、抗干扰能力强和测量位移大等优点而在超精密仪器、数控机床、自动化生产中有广泛的应用。国外的 MTS 系统公司已研制最大量程 18 m、精度可达 μm 级的大位移磁致伸缩位移传感器,并且可以实现多参数的测量。国内对于磁致伸缩位移传感器的研究正处于自主研究和开发阶段,目前所能达到的最大量程为 6 m。因磁场与应力场、温度场和声场等之间存在复杂的耦合关系,要实现大位移磁致伸缩位移传感器的制作仍较困难。
       科研人员已分别从输出电压模型、波导丝选材、传感器结构、信号滤波、检测线圈结构和驱动脉冲参数等方面对磁致伸缩位移传感器进行了研究。本文在以上研究的基础上,为实现大位移磁致伸缩位移传感器的制作,对扭转超声波在波导丝内传播时的衰减问题进行研究。文献给出的检测电压计算式表明:检测电压受波导丝材料参数的影响,在波导丝的拉伸等过程中波导丝材料内部均一性变差,且扭转超声波在波导丝中的衰减较小,使得利用移动永磁体来研究扭转超声波衰减的方案是不可行的。利用本文提出的实验方法对波导丝的材料、尺寸、超声波的频率和波导丝所受拉力与衰减系数的关系进行了研究。
1  扭转超声波的波动方程及衰减系数的测量方法
1.1  磁致伸缩位移传感器原理 
       磁致伸缩位移传感器主要由脉冲激励模块、扭转超声波产生模块和检测信号接收及处理模块等组成。脉冲激励模块由电源、可调电阻和信号发生器及放大电路等组成,其产生一个幅值、频率、脉宽等可调的脉冲电流。扭转超声波产生模块由波导丝和永磁体组成,当脉冲电流产生的周向激励磁场与永磁体产生的轴向偏置磁场相遇时发生魏德曼效应。由于施加的是瞬时周向激励磁场,在波导丝内将产生瞬时形变,进而产生分别向波导丝两端传播的扭转超声波。检测信号的接收及处理主要由检测线圈和信号处理单元组成。当扭转超声波传播到检测线圈位置处,由于磁致伸缩逆效应,检测线圈覆盖部分的波导丝所受应力的变化会引起磁通变化,根据法拉第电磁感应原理,检测线圈两端的输出电压为e=-NSdB/dt,式中,e 为感应电压;N 为检测线圈的匝数;S 为检测线圈的面积;B 为磁感应强度;t 为时间。
1.2扭转超声波的无阻尼波动方程
       实验所用波导丝材料的物理性质及线径不超过1 mm,将其视为连续、均一和各向同性材料。将永磁体放在波导丝正中心位置,以波导丝中心为原点建立的坐标。
1.3扭转超声波的衰减
       扭转超声波在波导丝中传播会产生衰减,实验中常以信号振幅的损失作为衰减程度的标准。扭转超声波在波导丝中传播产生的衰减主要由错位阻尼、磁畴阻尼、热弹性的相互作用等产生的吸收衰减和发生在晶界处、夹杂物、微裂纹和宏观裂纹等的散射衰减。
1.4  衰减系数的测量方法 
       文献建立的磁致伸缩位移传感器检测电压数值解表明:输出电压与波导丝的角应变、检测线圈参数、激励磁场、波导丝材料的杨氏模量、泊松比、相对磁导率、密度等密切相关。在实验中采用移动永磁体,再根据检测信号幅值的变化来研究扭转超声波的衰减是不可行的。首先扭转超声波在波导丝内传播短距离所产生的衰减较小,其次波导丝内部不均一会对检测电压产生影响。
       保持激励脉冲电流等参数不变,将永磁体向检测线圈方向移动,扭转超声波从产生位置传播到检测线圈位置的距离减小,所以检测线圈输出的电压应单调增大。移动永磁体时,检测线圈输出电压信号的变化表明检测线圈输出的电压信号并不是随永磁体与检测线圈之间位移的减小而单调增大,在移动永磁体的过程中,检测线圈输出的电压信号受波导丝材料内部参数的变化大于扭转超声波传播短距离的衰减,所以采用移动永磁体来研究扭转超声波衰减的方案是不可行的。
       针对上述问题,本文设计一个实验方案。永磁体放置在波导丝正中间,去掉波导丝两端的阻尼,在波导丝上施加驱动脉冲电流时,永磁体位置处产生的扭转超声波分别向波导丝两端传播。根据激励条件和边界条件相同,分别向波导丝两端传播的扭转超声波振幅相同。向检测线圈方向传播的扭转超声波经过检测线圈覆盖部分的波导丝时产生电压信号,当传播到波导丝两端时,扭转超声波在波导丝两端发生无阻尼反射。考虑反射时会产生一定的衰减,设反射衰减系数为r,,反射后两个扭转超声波向反方向传播,当传播到检测线圈处时产生的电压信号分别为e1和e2.
若只取峰值电压,利用式计算扭转超声波的衰减系数,计算结果易受噪声的影响,且对于衰减系数较小的波导丝材料,研究扭转超声波信号整体衰减程度,仅选取两个峰值信号会增大实验误差。为减小测量可能出现的偶然误差,提高测量准确度,采用矩形窗分别截取两峰值附近区域的信号来计算衰减系数。
2、试验测试系统的搭建
       按照搭建的实验测试系统去掉波导丝两端的阻尼,并将永磁体置于波导丝的中间位置。用线径为 0.06 mm 的铜线绕制成匝数为 600、长为 10 mm、内径为 4 mm、按三层排列的检测线圈。将检测线圈套入线径为 0.5 mm、长度为 1 m 的 Fe-Ga(Fe-Ni)波导丝中。将波导丝两端拉直固定在内、外径分别为 6 mm 和 8 mm的铁氟龙管内,外部再套一根内、外径分别为 9 mm和 14 mm 的不锈钢。可调电源主要用于调节激励信号的大小,通过可调电阻调节电压范围为 0.36 V,稳压电源主要为脉冲激励模块和信号处理模块的持续稳定供电。TFG6920A 型信号发生器可方便实现对脉冲电流的控制,为减少上一脉冲产生的反射波对下一脉冲产生扭转超声波的影响,脉冲电流的频率不易过大,实验中设定脉冲电流频率为 200 Hz、脉宽为 7 μs、高电平为 20 V。检测线圈的输出端接在 DPO3014 型数字示波器的通道 1 上,将放大电路的输出端接在通道 2 上,用于显示回路的电压,示波器的最高采样频率为 2.5 GHz。永磁体为环形的钕铁硼,安装在环形的铝环内。利用实验所搭建的平台,记录移动永磁体时输出电压信号幅值的变化,证明采用移动永磁体研究扭转超声波衰减的不可行性。将永磁体移动到波导丝的中间位置,研究:①不同材料和同种材料不同尺寸的衰减系数;②扭转超声波的频率与衰减系数的关系;③波导丝两端所受拉力与衰减系数的关系。
磁致伸缩位移传感器
3、试验结果与分析
3.1  移动永磁体对输出电压的影响 
       选用线径均为 0.5 mm 的 Fe-Ni 和 Fe-Ga 波导丝,在相同偏置磁场、检测线圈和激励条件下,对两种不同材料制作的传感器进行实验。结果表明:Fe-Ga 波导丝输出的电压幅值较 Fe-Ni 波导丝大;移动永磁体会使检测线圈输出电压变化,且电压变化非单调增大或减小,这与 1.4 节的分析一致。故将永磁体沿波导丝移动时,由波导丝材料的不均一性而引起检测电压的变化会给扭转超声波衰减系数的测量带来较大的误差。
       永磁体放置在波导丝中间,检测线圈距离波导丝左端 100 mm 时,输出的电压波形如图 7 所示。检测线圈位于永磁体左侧,故e1较e2先产生,且产生e1时超声波传播的距离较产生e2时超声波传播的距离短,其衰减较小,所以输出的电压幅值较大,利用公式即可求出扭转超声波的衰减系数。
3.2  不同波导丝材料的衰减系数 
        当波导丝两端不受拉力作用、扭转超声波频率为 65 kHz、线径为 0.5 mm 的 Fe-Ga 和 Fe-Ni的衰减系数拟合曲线。电压的衰减分贝与位移差呈正比例关系。为减小实验误差,移动检测线圈多次测量,采用正比例函数对数据进行最小二乘拟合,拟合直线的斜率即为扭转超声波在波导丝内传播的衰减系数。斜率越大表示衰减系数越大。拟合得到 Fe-Ga 和 Fe-Ni 的衰减系数分别为 1.34 dB/m 和 1.57 dB/m。表明 Fe-Ga 材料作为超声波传播导体时对波的衰减较小,当波导丝内产生的声源声压相等时,Fe-Ga 作为波导丝材料能将超声波传播到更远的距离,应选择超声波衰减系数较小的材料以制作大位移的磁致伸缩位移传感器。
3.3波导丝尺寸对衰减系数的影响 
        线径分别为 0.4 mm、0.5 mm、0.8 mm 和1 mm 的 Fe-Ga 波导丝的衰减系数拟合曲线,与 3.2节中实验方法一致,波导丝两端不受拉力作用,扭转超声波的频率为 65 kHz。表明随波导丝线径的增大,拟合直线的斜率增大,即波导丝线径的增大会使扭转超声波的衰减系数增大。故在制作大位移的磁致伸缩位移传感器时波导丝的线径不宜过大。
3.4  超声波频率对衰减系数的影响 
        为得到不同频率的扭转超声波,通过改变永磁体的尺寸和调节激励脉冲电流的脉宽,使在波导丝内产生不同频率的扭转超声波, Fe-Ga 和Fe-Ni 波导丝作为导波介质时衰减系数与扭转超声波频率的关系表明随扭转超声波频率的增大,扭转超声波在两种不同材料波导丝内传播的衰减系数都略有增大。故在制作大位移的磁致伸缩位移传感器时,扭转超声波的频率不宜太高。
3.5  波导丝两端的拉力对衰减系数的影响 
        Fe-Ga 波导丝两端受 20 Mpa 和 50 Mpa拉力作用下的衰减系数拟合曲线,表明波导丝两端受到 50 Mpa 拉力时拟合直线的斜率较小,即衰减系数比受到 20 Mpa 拉力作用时略有减小。衰减系数与波导丝两端拉力的变化关系曲线,表明随波导丝两端所受拉力的增大,扭转超声波的衰减系数略有减小,当波导丝两端的拉力达到 60 Mpa 后,衰减系数趋于稳定。故在制作大位移磁致伸缩位移传感器时,为减小扭转超声波在传播过程中的衰减,可适当施加一定的拉力。
4  结论 
        基于扭矩振动方程和声波传播理论,建立了扭转超声波在波导丝中的波动方程。对于检测信号受波导丝材料内部不均一的影响,提出实验方案,利用该方案测试了扭转超声波在 Fe-Ga 和 Fe-Ni 波导丝中的衰减系数,得到扭转超声波在线径为 0.5 mm的 Fe-Ga 和 Fe-Ni 波导丝的衰减系数分别为 1.34 dB/m 和 1.58 dB/m。实验对比了不同线径 Fe-Ga 波导丝的衰减系数,得到扭转超声波的衰减系数随波导丝线径的增大而增大;研究了衰减系数与扭转超声波频率的关系,得到扭转超声波的衰减系数与其频率呈正相关;研究了衰减系数与波导丝两端拉力的关系,得到波导丝两端拉力的增大使扭转超声波的衰减系数先略有减小后趋于稳定。本文研究可为研制大位移磁致伸缩位移传感器提供指导作用。
 


上一篇:基于水准测量的建筑物沉降观测研究与应用


下一篇:一种磁致伸缩位移传感器的优化设计方法

关闭
磁致伸缩位移传感器店铺二维码磁致伸缩液位传感器店铺二维码
磁致伸缩位移传感器logo图片
山东省烟台经济技术开发区珠江路32号3号楼
Copyright © 2019 NADO | All right reserved. 鲁ICP备16037561号
网站地图 

扫码关注拿度微信